全覆蓋算法無線通信論文
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1機(jī)器人本體設(shè)計(jì)
1.1WCR工作環(huán)境
所設(shè)計(jì)的WCR的主要功能是在無任何支架的情況下攜帶無損檢測工具對油罐進(jìn)行檢測。這種立式油罐主要是石油公司對其進(jìn)行儲(chǔ)油，所以一般都設(shè)計(jì)半徑為5米～10米，高度為15米～25米的圓柱體，材料為鋼制，為此本人選用永磁式吸附方式?；谝陨嫌凸尴嚓P(guān)數(shù)據(jù)，完成一個(gè)如此容量大的整體油罐需要采用鋼板進(jìn)行焊接，勢必會(huì)存在焊縫，這些焊縫的突起有10mm左右，這將經(jīng)常導(dǎo)致故障發(fā)生，所以WCR在行進(jìn)時(shí)必須能夠翻越這個(gè)障礙。
1.2WCR工作指標(biāo)
1）WCR除了克服自身重量吸附在油罐表明外，還需要克服攜帶的無損檢測工具，一般不低于25kg。2）為了使WCR能夠在規(guī)定時(shí)間內(nèi)很好地完成無損檢測工作，需要使其行走速度控制在5米～10米，并能夠翻越10mm障礙。3）為了方便地面系統(tǒng)進(jìn)行控制，采用無線遠(yuǎn)程遙控，控制半徑不低于50米。基于以上要求，WCR需要最終完成復(fù)合式任務(wù)，比如對油罐厚度進(jìn)行探測，對那些破損需要修復(fù)的表面進(jìn)行噴砂和噴漆處理。
1.3WCR機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
基于以上幾個(gè)方面要求，本W(wǎng)CR選擇了4輪驅(qū)動(dòng)的非接觸永磁輪式結(jié)構(gòu)。該機(jī)器人結(jié)構(gòu)如圖1所示,整個(gè)機(jī)器人本體長約410mm、寬約250mm、高約90mm。本體由車體框架結(jié)構(gòu)、4輪及非接觸吸附單元組成；4個(gè)直流伺服電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)爬壁機(jī)器人的4個(gè)輪子，為使能夠翻越障礙，加入了減震機(jī)構(gòu)增加其越障能力。為使WCR轉(zhuǎn)向不會(huì)對罐壁噴漆造成損壞，特為每個(gè)輪子分別套有特制的耐磨防滑橡膠膠套，這種方式能夠提供更穩(wěn)定的吸附能力。
2控制系統(tǒng)
2.1硬件系統(tǒng)
WCR硬件系統(tǒng)采用二級(jí)多層次進(jìn)行控制。上位機(jī)采用基于Web的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，下位機(jī)主要是采用嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，二者通過無線進(jìn)行通訊。具體包括嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)和供電系統(tǒng)。
2.1.1嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)
嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是下位機(jī)核心，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各個(gè)子系統(tǒng)工作，并產(chǎn)生控制命令。它主要包括嵌入式控制器、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、數(shù)字量輸入輸出通道、閃存、無線局域網(wǎng)卡以及無線LAN卡，如圖所示。我們選用的是美國RTD嵌入式系統(tǒng)公司的PC/104+嵌入式計(jì)算機(jī)模塊，這種模塊體積小、可以支持堆棧式連接、功耗?。ㄒ话?mA總線驅(qū)動(dòng)即可使模塊正常工作）、可以在強(qiáng)烈振動(dòng)的惡劣的環(huán)境下工作。此款嵌入式計(jì)算機(jī)模塊的工作頻率在733MHz，工作頻率可以滿足WCR數(shù)據(jù)處理的速度。使用無線LAN控制卡可以完成WCR與地面系統(tǒng)進(jìn)行Internet連接，這樣就可以使用WEB接口對WCR進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，方便用戶管理與監(jiān)控。
2.1.2傳感系統(tǒng)
為了完成對油罐的無損檢測任務(wù)，為WCR配備了一套傳感系統(tǒng)，用來檢測各種數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)都可以通過無線傳輸系統(tǒng)在地面系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控與記錄。配備的傳感器有：光學(xué)編碼器、CCD攝像頭、無損檢測傳感器、重力傳感器、加速度傳感器等。光學(xué)編碼器主要是用來測量伺服電機(jī)的位置和速度，并反饋給伺服電機(jī)；CCD攝像頭能夠?qū)τ凸薇砻娴暮缚p進(jìn)行視頻提取，進(jìn)而可以利用地面系統(tǒng)進(jìn)行判別。無損檢測傳感器能夠探測出油罐表明的故障。重力和加速度傳感器二者進(jìn)行信息融合對WCR的方位信息作出決策，以便幫助工作人員更好地了解WCR當(dāng)前的狀況，防止發(fā)生意外狀況以及為以后檢測任務(wù)提供相關(guān)依據(jù)。
2.1.3分層級(jí)控制策略
到目前為止，機(jī)器人控制結(jié)構(gòu)主要分為兩種方案：任務(wù)執(zhí)行行為模塊、功能模塊。在具體應(yīng)用中主要是采用混合式和分層級(jí)控制結(jié)構(gòu)。為了使WCR能夠簡單有效地工作，本設(shè)計(jì)采用了分層級(jí)控制結(jié)構(gòu)思想，這種控制思想和互聯(lián)網(wǎng)七層協(xié)議有類似之處，傳感器采集的信號(hào)從底層一級(jí)級(jí)往上傳遞，最終達(dá)到?jīng)Q策層，決策層接受到信號(hào)后按照預(yù)先設(shè)置好的控制策略發(fā)出控制命令，經(jīng)一級(jí)級(jí)往下傳遞最終到達(dá)非常勤奮的最底層——執(zhí)行器，進(jìn)而帶動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，比如在進(jìn)行轉(zhuǎn)向過程中，最終是由電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)分成四層控制結(jié)構(gòu)，由下至上分別是：物理層：位于控制結(jié)構(gòu)最底層，完成相關(guān)信息的采集和對來自控制層命令的最終執(zhí)行。在本設(shè)計(jì)中，主要包括電機(jī)、光電編碼器、加速度傳感器、無損檢測傳感器、CCD攝像頭、執(zhí)行器等以及無線局域網(wǎng)卡。它們各自完成自己的任務(wù)，相互不發(fā)生干擾?？刂茖樱罕緦游挥谖锢韺由弦患?jí)，直接對物理層進(jìn)行控制和接受來自物理層的反饋信息。主要為電機(jī)的位置、力、速度控制提供反饋控制回路，構(gòu)成電機(jī)的三環(huán)控制。同時(shí)接受來自無損檢測傳感器和CCD攝像頭提供的信息，并且完成對整個(gè)系統(tǒng)的無線通信控制。任務(wù)層：本層主要是決策出對WCR本體下達(dá)各種執(zhí)行任務(wù)，最終此任務(wù)到達(dá)物理層進(jìn)行對任務(wù)的執(zhí)行。具體包括對WCR的導(dǎo)航和路徑規(guī)劃、焊縫跟蹤以及無損檢測等任務(wù)。項(xiàng)目層：由用戶提出各種具體檢測任務(wù)，具體包括油罐檢測、噴砂噴漆、焊縫跟蹤、無線通信任務(wù)。
2.1.4基于WEB遠(yuǎn)程控制
WCR本體與地面系統(tǒng)通過10Mbps無線局域網(wǎng)方式進(jìn)行相互通信，為此機(jī)器人可以很方便地通過Internet網(wǎng)得到用戶的控制，進(jìn)而節(jié)省通信線路。而且可以使許多人（如一些某些專家、操作者以及相關(guān)工作人員）同時(shí)在線查閱檢測數(shù)據(jù)，不必像傳統(tǒng)通信方式那樣要想查閱數(shù)據(jù)必須得分別與WCR本體進(jìn)行通信。通過Internet網(wǎng)不僅可以使上下位系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，同時(shí)用戶之間也可以通過Internet進(jìn)行信息共享與互訪。
3.1方案設(shè)計(jì)
為了對整個(gè)油罐表面進(jìn)行覆蓋，并且能成功避開障礙物，規(guī)劃WCR進(jìn)行油罐表面檢測。為此設(shè)計(jì)出一種適合油罐實(shí)際情況的油罐表面全覆蓋算法，為了更好仿真出WCR在油罐表面的行走路線，為此將圓柱形油罐表面進(jìn)行展開成平面式進(jìn)行仿真。在此平面內(nèi)WCR按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的算法進(jìn)行路徑規(guī)劃。將整個(gè)平面分成統(tǒng)一單元網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格表示傳感器的大小。如果單元格與傳感器重疊，那么表示此單元格認(rèn)為被覆蓋掉。此規(guī)劃算法不同于現(xiàn)有的拓?fù)浜屠媒⒛Ｐ褪降木嚯x變換方式的路徑規(guī)劃，較之那兩種算法本算法簡單實(shí)用，易于移植到各種機(jī)器人處理器中，且能夠以較高速率和效率完成對整個(gè)油罐表面的行走規(guī)劃。
3.2仿真結(jié)果
為了使規(guī)劃算法程序和微控制器直接進(jìn)行兼容，傳統(tǒng)基于MATLAB仿真不能展示重復(fù)路徑，為此利用MicrosoftVisualStudio軟件對算法進(jìn)行仿真。為了能夠更好地模仿地面真實(shí)油罐的表面情況，對油罐中的旋轉(zhuǎn)梯按照障礙物來處理，且通過產(chǎn)生路徑來檢驗(yàn)算法的性能。
4結(jié)束語
設(shè)計(jì)了一種4輪驅(qū)動(dòng)的非接觸永磁輪式結(jié)構(gòu)油罐檢測爬壁機(jī)器人，機(jī)器人本體控制部分采用二級(jí)結(jié)構(gòu)，并根據(jù)實(shí)際工作要求采用了分層級(jí)控制策略，使機(jī)器人能夠可靠地執(zhí)行檢測任務(wù)并實(shí)時(shí)反饋信息，躲避并有效地實(shí)施油罐表面檢測。其中主要設(shè)計(jì)了WCR的油罐表面全覆蓋算法，通過仿真和現(xiàn)場試驗(yàn)?zāi)軌蜻_(dá)到預(yù)期效果。在后續(xù)工作中，需要對路徑規(guī)劃算法繼續(xù)優(yōu)化，以提高WCR的行進(jìn)速度，提高檢測效率，并考慮采用無線RSSI定位算法對油罐具體損傷進(jìn)行定位。
作者：季曉明 文懷海 單位：江蘇安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院 大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院